Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

..pdf
Скачиваний:
27
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
33.91 Mб
Скачать

Материалы, методы и технология изготовления зубчатых колес из пластмасс 291

Продолистие таблицы 8.13

№ об­

т

г

X

 

 

 

 

2 4 ,

da

s'l%

da

S* %

разцов

 

 

 

Ч ,

 

1

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2,081

3,359

3,534

+0,075

0,052

6,774

0,874

3,594

3,581

6,864

0,885

1.24

3

3,530

2,035

2,083

+0,048

0,044

7,528

0,769

2,144

2,132

7,705

0,787

2,29

4

2,106

3,471

3,575

+0,104

0.020

7,682

0,893

3,606

3,594

7,722

0,898

0,56

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

2,041

3,383

3,414

+0,031

0,060

8,779

0,788

3,516

3,504

9,010

0.808

2,48

7

3,454

4,129

4,251

+0.112

0,096

11,354

0,683

4,298

4,286

11,448

0,690

1,01

8

4,222

4,743

4,865

+0,122

0,086

11,936

0,848

4,913

4,901

12,024

0,854

0,70

9

4,826

4,083

4,117

+0,034

0,026

11,978

0,617

4,241

4,229

12,304

0,633

2,53

10

4,166

3,350

3,439

+0,089

0,108

12,709

0,777

3,495

3,483

12,871

0,787

1,27

И

3,433

4,757

4,873

+0,116

0,010

12,777

0,859

4,926

4,914

12,884

0,866

0,81

12

4,840

4,802

4,937

+0,135

0,078

12,820

0,908

4,973

4,951

12,856

0,913

0,55

13

4,885

4,814

4,923

+0,109

0,092

13,603

0,908

4,985

4,974

13,744

0,927

0,97

14

4,870

4,787

4,857

+0,070

0,090

14,758

0,882

4,958

4,946

15,029

0,899

1,89

Примечание, т —модуль зацепления; z —число зубьев; х коэффициент смещения; d*N —номи­ нальный диаметр вершин зубьс» колеса; d* *,d* - средний диаметр иершин зубьев колеса но чертежу и фактический; dfî, djf - средние диаметры основной окружности колеса и матрицы; sft, s}' - средние

значения толщины зуба по основной окружности колеса и матрицы; Wfi и к\

—номинальный и

средние размеры длины общей нормали колеса (но чертежу и фактический); Wfî Д

м —номинальный

исредний размеры длины общей нормали матрицы;

иàw —величина смещения среднего арифме­

тического значения измеряемого параметра но отношению к среднему размср&зависящсму от распо­ ложения поля допуска; 2Adaи 2Д1К—доверительные интервалы для диаметра d* идлины общей нор­

мали ÏKK, соответственно; S$\

—коэффициенты фактической средней величины усадки.

Д d*,M K M

 

 

 

Sa.%

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

*

 

 

 

 

O

 

 

 

O

O

 

 

 

 

 

 

o —

O ®

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

4 0

8Q

1 2

16 d*w,

 

Рис.

8 .1 4 . Тенденция зависимости пара­

Рис. 8 .1 5 . Зависимость среднеарифмети­

метра àda от диаметра daN колеса

ческого значения коэффициента усадки

292 Глава 8

Из анализа представленных данных следует, что отклонения по диаметру меньше, а по длине общей нормали больше расчетных. Такой результат объясняется разной вели­ чиной усадки по диаметру и по толщине зуба — среднее фактическое значение усадки по диаметру составляет 5 * = 2,68%, что больше расчетного значения 5 Р = 1,8%, а фактиче­

ская усадка по толщине зуба S {}' = 1,37% — меньше расчетной. Необходимость разнона­

правленной корректировки матриц по диаметру («в плюс») и по толщине зуба («в ми­ нус») объясняется как отличием фактической усадки от се расчетного значения, так и от­ личием средней величины усадки по диаметру от среднего значения усадки по толщине зуба. При увеличении диаметра колес средняя усадка возрастает с 2% до 3% (рис. 8.15), а коэффициент усадки Ss при увеличении толщины зуба уменьшается.

Для корректировки размеров формообразующих матриц использовали программу KORMAT (см. гл. 17). Расчет показал, что вероятность отливки зубчатых колес, соответст­ вующих заданным чертежным размерам, может быть повышена — по диаметру вершин зубь­ ев — с 0-72,7% до 81,8-99,9%; по длине общей нормали (толщине зуба) — с 0% до 31,6-99,9%; при анализе экспериментальных данных по величине индекса воспроизводимо­ сти процесса установлено, что для d* индекс Ср составляет от 0,44 до 1,30, для W* - Ср - = 1,14-1,64.

8.4. Компьютерное моделирование процесса литья под давлением

С начала 1990-х годов компьютерный анализ стал повседневным инструментом кон­ структоров и технологов при подготовке производства полимерных изделий. За послед­ ние 20 с лишним лет появился целый ряд пакетов программ для анализа течения распла­ ва полимера, в частности Moldflow, C-mold и другие. В настоящее время наиболее продви­ нутым инструментом моделирования стадий процесса литья под давлением термопластов является система Moldflow, на примере которой ниже рассматриваются возможности ре­ шения задач литья термопластов* [33]. Продукты Moldflow моделируют все стадии про­ цесса литья термопластичного материала: впрыск, выдержку под давлением и выдержку на охлаждение, процессы усадки и коробления, ориентацию волокнистого наполнителя, тепловые процессы в литьевой форме, а также поведение отлитого изделия при эксплуа­ тации. Главной задачей анализа Moldflow является снижение финансовых затрат произ­ водства за счет сокращения или полного исключения этапа доработок литьевой формы, снижения расхода полимерного материала, уменьшения цикла литья, обеспечения каче­ ства литьевых деталей, увеличения ресурса работы пресс-формы, снижения затрат на контроль качества готовых изделий. Продукты Moldflow дают подробную информацию о процессе литья на стадии проектирования изделия и пресс-формы и позволяют выбрать оптимальные по цене и срокам выполнения технические реш ения. Одновременно Moldflow используют для анализа причин брака готовых литьевых форм и поиска путей его устранения с наименьшими затратами.

Материал для и. 8.4 представлен И. А. Бариимским и И. Е. Барвинской.

Материалы, методы и технология изготовления зубчатых колес из пластмасс 293

8 .4 .1 . А нализ впры ска на твердотельной модели

Part Adviser

Модель для анализа может быть подготовлена в любой системе CAD. Процесс подго­ товки модели для анализа в программе Part Adviser (версия 3) предельно упрощен. Мо­ дель должна иметь поверхностную сетку в 571-формате. Анализ выполняется на поверх­ ностной сетке без построения средней линии.

Для проведения анализа необходимо задать места впуска, выбрать марку материала из банка данных, определить технологический режим литья. Габаритные размеры модели определяются автоматически.

При задании технологического режима литья можно использовать условия по умол­ чанию. При этом в программе используются значения температуры формы и расплава, соответствующие средним температурам рекомендуемого диапазона переработки. По умолчанию анализ проводится в режиме автоматического определения оптимальной скорости впрыска. Анализ может быть выполнен при произвольно заданных значениях температуры формы и расплава и скорости впрыска. При анализе учитываются возмож­ ности литьевой машины, в частности, максимальное давление литья.

В программе Part Adviser моделируются течение и охлаждение сжимаемого расплава полимера при заполнении пресс-формы в режиме постоянной скорости впрыска. При этом используется новая технология конечно-элементного анализа Dual-Domain® Technology, разработанная фирмой Moldflow, она не требует построения «средней линии» и позволяет выполнять анализ на твердотельной модели.

Программа выдает следующие графические результаты: динамика заполнения (время впрыска), температура фронта расплава, давление расплава в конце стадии впрыска, поте­ ри давления расплава, положение линий спая, положение воздушных ловушек, характе­ ристика процесса заполнения.

8 .4 .2 . О птим изация литниковой системы в програм ме

M old Adviser

Программа Mold Adviser позволяет провести анализ впрыска на твердотельной модели изделия с литником. Эта программа предназначена для конструкторов литьевых форм и технологов по литыо.

В программе Mold Adviser использован новый метод быстрого автоматического по­ строения модели литниковых систем (холодноили горячеканальных) для многогнездной или «семейной» отливки, разработанной фирмой Moldflow. Этот метод позволяет приме­ нять стандартные конфигурации отливок. Пользователь имеет возможность создать свою собственную конфигурацию литниковой системы.

8 .4 .3 . А нализ течения MPl/Fiow

Программа MPI/Flow позволяет провести анализ течения и охлаждения расплава тер­ мопластичного материала на всех стадиях процесса литья: впрыска, выдержки под давле­ нием и выдержки па охлаждение.

В MPI/Flow проводится ЗЛ-аиализ непзотермпческого течения сжимаемого расплава полимера в литниковых каналах и полости формы с учетом тепловыделения от трения

294 Глава 8

в расплаве, тепловых эффектов сжатия-расширения расплава, входовых эффектов, нерав­ номерного охлаждения (возникающего как из-за разницы температур между матрицей и пуансоном, так и неравномерного распределения температуры на формообразующих по­ верхностях), теплофнзических свойств металла литьевой формы и т. д. Анализ впрыска может выполняться как в режиме управления скоростью впрыска (при постоянной скоро­ сти впрыска или с профилем скорости), так и в режиме управления давлением.

В ходе анализа впрыска пользователь получает графическое распределение в любой момент времени всех важнейших параметров расплава (температуры, давления, напряже­ ния и скорости сдвига, толщины застывшего пристенного слоя и др.), определяющих ка­ чество изделия. Результаты анализа включают также зависимости параметров расплава от времени, профили параметров по сечению литьевого канала, послойные распределения параметров. Программа показывает положение спая и воздушных ловушек, недолив, пре­ дупреждает о появлении облоя, срыве потока и др. дефектах. На основе системы критери­ ев делается заключение о приемлемости заданных конструкции и условии литья, а также о мерах, которые надо предпринять для устранения выявленных проблем.

Ряд оптимизационных задач программа выполняет автоматически или полуавтомати­ чески. К таким задачам относятся: нахождение оптимальной скорости впрыска, баланси­ ровка толщин литников, балансировка толщин изделия.

При анализе выдержки под давлением моделируются процессы объемной усадки и уплотнения полимера, рассчитываются утяжки. Расчет объемной усадки проводится на основе Р VT-диаграмм, содержащихся в банке данных Moldflow.

MPI/Flow включает ряд дополнительных возможностей: 2£>-анализ впрыска, матема­ тическую обработку экспериментальных данных по вязкости, редактирование базы дан­ ных по литьевым машинам.

Диспетчер проектов. Анализ реальных изделий и пресс-форм может включать боль­ шое число последовательных расчетов с изменяющимися условиями анализа. При этом создается множество файлов (модель изделия без литника и с литником, модель литьевой формы, граничные условия, результаты анализа).

Диспетчер проектов Moldflow Project Manager, поставляемый в составе MPI/Flow, представляет модели и результаты расчетов в виде дерева проекта. Этот модуль позволяет запустить анализ, быстро восстановить условия проведенных ранее расчетов, просмотреть текстовые файлы результатов и базу данных и т. д.

Пре/пост процессор M PI/STU DIO . Программа M PI/Studio поставляется в составе продукта MPI/Flow и предназначена для создания и изменения модели, вывода результатов анализов Moldflow. Она содержит большой набор функций для выявления и автоматиче­ ского устранения дефектов модели. Библиотека OpenGL, интегрированная в модуль MPI/Studio для Windows, обеспечивает динамическое вращение и масштабирование модели с нанесенными графическими результатами анализа, эффекты анимации для результатов.

Встроенные интерфейсы. MPI/Flow включает ряд интерфейсов, которые могут при­ меняться для преобразования CAD-модели в модель Moldflow: STL, NASTRAN, PATRAN, ANSYS, IGES, I-DEAS, C-MOLD. Это обеспечивает передачу модели практически из любой системы CAD.

Построение средней линии. Модуль автоматического построения средней линии MPI/Midplane интегрирован в MPI/Studio. При этом в качестве исходной модели исполь­ зуется твердотельная модель с нанесенной на поверхности сеткой. Построение средней линии осуществляется автоматически в 4 этапа. Сначала выполняется группировка эле­ ментов поверхности с учетом их кривизны. На втором этапе находится соответствие друг другу элементов, лежащих на противоположных поверхностях, и определяется толщина изделия. Следующий этап заключается в смещении элементов на среднюю линию. На по­

Материалы, методы и технология изготовления зубчатых колес из пластмасс 295

следнем этапе D результате удаления одного из слоев элементов получается готовая для анализа модель.

Банк данных по термопластичным материалам. Стандартный банк данных Moldflow поставляется в составе программного модуля MPI/Flow. Банк данных содержит более 4100 марок термопластичных материалов, выпускаемых зарубежными фирмами. Для всех марок приводятся рекомендуемые условия переработки. Исследовательский центр Moldflow в Австралии проводит экспериментальное определение характеристик полиме­ ров. Стандартный банк данных обновляется в каждой новой версии программных продук­ тов Moldflow. Пользователи имеют возможность создать свой собственный банк данных. Отдельно поставляется банк данных по термопластичным материалам, выпускаемым фирмами России и СНГ.

8 .4 .4 . А нализ течения на твердотельной модели

{M PI/Flow + MPI/Fusion)

Программный модуль MPI/Fusion позволяет выполнять все виды ЗП-анализа в MPI/Flow на твердотельной модели без построения «средней линии». Модель для анализа может быть подготовлена в любой CAD-системе с возможностями для 3£)-моделирования. Исходная CAD-модель должна иметь поверхностную сетку в форматах STL, NASTRAN, PATRAN, ANSYS, IGES, I-DEAS, C-MOLD. С помощью модуля MPI/Fusion все задачи, ре­ шаемые в MPI/Flow, могут быть решены на твердотельной модели с использованием тех­ нологии Dual-Domain® Technology. Число элементов сетки не ограничено.

8 .4 .5 . А нализ охлаждения пресс-ф ормы M PI/Cool

В анализе охлаждения литьевой формы MPI/Cool на конечно-элементной ЗП-моделн формы моделируются тепловые процессы в металле формы при литье под давлением. Мо­ дель литьевой формы может содержать: каналы охлаждения с последовательным или па­ раллельным соединением (включая каналы с фонтанирующей трубкой, каналы с перего­ родкой), шланги, внешнюю границу формы, линии разъема, вставки из различных мате­ риалов, зазоры между деталями формы.

Конструкция системы охлаждения оказывает большое влияние на качество изделия и стабильность литья. Неравномерное охлаждение литьевой формы приводит к коробле­ нию, проблемам с уплотнением полимера. Так называемые «горячие пятна» — участки формообразующей поверхности с повышенной температурой — часто являются причиной неравномерного заполнения формующей полости. Современные литьевые формы отлича­ ются предельно малым циклом литья, обеспечивающим высокую производительность процесса и снижение стоимости изделия. Для достижения этого система охлаждения должна быть оптимизирована с помощью компьютерного анализа. Цель компьютерного анализа состоит в том, чтобы найти компромиссное решение: система охлаждения должна обеспечивать требуемое качество при приемлемых затратах на изготовление формы.

Анализ охлаждения формы проводится с использованием в качестве вводных данных результатов анализа впрыска в программе MPI/Flow. При анализе охлаждения формы учитываются теплофизические свойства охлаждающей жидкости (вода, масло и т. д.) и материалов, из которых изготовлены детали формы, и другие факторы. С помощью про­ граммного модуля MPI/Fusion анализ охлаждения можно выполнить на твердотельной модели изделия.

296

Глава 8

8 .4 .6 . А втом атическая о птим изация скор ости впры ска и д авления вы держ ки M PI/O ptim

Оптимальные профили скорости впрыска и давления выдержки автоматически опре­ деляются в программном модуле MPI/Optim. Современные литьевые машины позволяют использовать от 3 до 10 ступеней скорости впрыска и давления выдержки. Правильный выбор профиля скорости впрыска обеспечивает постоянство температуры фронта распла­ ва в полости формы — важнейшее условие получения качественного изделия, предотвра­ щает срыв потока и подгары, снижает напряжения сдвига. Данный модуль значительно ускоряет нахождение решения в MPI/Flow для сложных изделий.

Пользователь может создать и использовать в анализе свой банк данных по литьевым машинам. Банк данных для наиболее распространенных в России термопластавтоматов поставляется отдельно.

8 .4 .7 . Анализ усадки и коробления M P I/W arp

Программный модуль M PI/W arp позволяет рассчитать продольную и поперечную линейную усадку полимера в каждом элементе сетки. Расчет усадки проводится на осно­ ве 10 экспериментальных коэффициентов усадки с учетом вклада равновесной объем­ ной усадки, процессов кристаллизации и ориентации полимера, а также удерживания полимерного изделия в закрытой литьевой форме.

Для каждого типа материалов предусмотрена своя программа изготовления образцов для измерений усадки при варьировании технологического режима и толщины образца.

В MPI/Warp рассчитывается коробление изделия (деформация узлов модели относи­ тельно исходной геометрии), возникающее под действием усадочных деформаций, рас­ пределение остаточных макронапряжений после извлечения отливки из литьевой формы. Анализируется 3 типа коробления: анализ устойчивости, анализ линейных деформаций, анализ нелинейных деформаций. При анализе коробления может использоваться ортотропная или изотропная модель механического поведения полимерного материала. Рас­ считываются составляющие общего коробления, связанные с неравномерным охлаждени­ ем формы, неравномерной ориентацией полимера (или волокнистого наполнителя), не­ равномерностью уплотнения изделия. Учитывается влияние углового эф ф екта на коробление.

8 .4 .8 . Анализ ориентации волокна M P l/F ib er

В программном модуле MPI/Fiber рассчитываются ориентация волокнистого напол­ нителя в полимерной матрице на стадиях впрыска и выдержки под давлением, а также ме­ ханические характеристики композита.

Ориентация волокна — важнейший фактор, определяющий качество изделий, кото­ рые отливаются из материалов, наполненных стекловолокном и углеволокном. В общем ориентация волокна не совпадает с направлением течения расплава полимера. Неравно­ мерная ориентация волокон вызывает неравномерность усадочных процессов и, как след­ ствие, коробление и высокие остаточные напряжения.

Расчет ориентации волокна выполняется в MPI/Fiber статистическими методами на основе модифицированной модели Фольгара-Такера, с учетом взаимодействия частиц волокна друг с другом. Сложный характер распределения волокна по изделию и по сече­ нию литьевого канала определяется конкуренцией двух процессов: сдвигового течения и

Материалы, методы и технология изготовления зубчатых колес из пластмасс 297

эластическими деформациями. Сдвиговое течение выстраивает волокно вдоль потока. Эластические деформации разворачивают волокно перпендикулярно потоку. Расчет ме­ ханических характеристик композита проводится на основе модели Тандона-Венга.

8 .4 .9 . А нализ усадки и исполнительных разм еров Ф О Д

вM PI/Shrink

Впрограммном продукте MPI/Shrink можно получить подробную информацию о ли­ нейной усадке в пресс-форме. Расчет усадки производится на основе данных о продоль­ ной и поперечной усадке, определенных в MPI/Warp.

При расчете исполнительных размеров ФОД задаются поля допусков для всех точ­ ных размеров. Программа определяет требуемые размеры литьевой формы и прогнозиру­ ет разброс размеров изделия, сравнивая его с заданными полями допусков. Задача перехо­ да от геометрической ЗО-модели изделия к модели формообразующих деталей пресс-фор­ мы, решаемая в современных системах СФВ, может быть значительно упрощена, если имеется возможность задать одну среднюю усадку для всего изделия или среднюю усадку по направлению. Однако сложность усадочных процессов при литье под давлением часто приводит к большому разбросу усадок. По этой причине даже рассчитанная в программе MPI/Shrink фактическая средняя усадка по изделию может быть неприменима для расчета всех исполнительных размеров. Специальная функция программы проверяет пригодность средних усадок для определения размеров деталей литьевой формы.

8 .4 .1 0 . Технология и анализ литья с газом MPI/GAS

Сущность технологии литья с газом заключается в том, что на стадии впрыска, при заполнении формующей полости на 80-100%, в расплав подается азот под высоким давле­ нием. Пристенный слой полимера, охлаждаясь, создает жесткую корку. Газ выдавливает расплав из центра потока расплава в незаполненную формующую полость либо в специ­ ально предусмотренные вне детали полости (прибыли) и уплотняет расплав. Затем проис­ ходит эвакуация газа из отливки. При этом внутри утолщенных элементов детали образу­ ются полости, облетающие деталь и сокращающие расход материала по сравнению с мо­ нолитной деталью.

В зарубежной технической литературе процесс литья под давлением изделий из тер­ мопластов с помощью газа называют по-разному: Gas-Assisted Injection Molding, Gid-Technik ( Gasinnendruck), Git (Gasinjektions), Gas-Injection Molding, Aimiould, Gasmelt-Technik, Gas Injection Technology, Gas Assisted Molding, Gas Injection Technology

и др. В отечественной литературе его описывают как технологию литья с газом, литье с подачей сжатого газа, литье полимеров с газом.

Применение технологии литья с газом эффективно при литье толстостенных и круп­ ногабаритных деталей, в том числе массивных отливок зубчатых колес, когда обычно тре­ буются очень большие и дорогие термопластавтоматы (ТПА) и горячеканальные формы, а также деталей с высокими требованиями к качеству наружной поверхности.

Технология литья с газом позволяет добиться экономического эффекта за счет эконо­ мии материала, сокращения времени цикла, устранения утяжнн на поверхности отливки, уменьшения внутренних напряжений и коробления отливки, уменьшения необходимого усилия запирания ТПА, уменьшения облоя, упрощения конструкции формы, уменьше­ ния стоимости литьевых форм и энергопотребления (по сравнению с горячеканальнымн формами).

298 Глава 8

Подвод газа в расплав осуществляется либо специальным комбинированным (расплав/газ) соплом, устанавливаемым на ТПА вместо штатного, либо независимо от распла­ ва отдельными иглами ввода газа — в оформляющую полость или литниковую систему. Количество вводов газа в отливку варьируется от одного до нескольких в зависимости от конструкции изделия и возможностей установки.

Моделирование процесса литья с газом проводят при помощи программного продук­ та MP1/GAS фирмы Moldflow.

Анализ литья с газом M P I/G A S разработан фирмой Moldflow при участии фирмы Cinpres, владеющей основными патентами в этой области. В программе моделируются ста­ дия впрыска полимера, стечение» газа в расплаве полимера, уплотнение и охлаждение по­ лимера. Подача газа может проводиться в режиме контроля давления или объема газа. При контроле давления задаются начальный момент времени подачи газа и профиль дав­ ления газа. В объемном методе задаются объем газовой системы, характеристика сжатия газа и временные параметры процесса подачи газа.

Результаты анализа включают распределение газа в изделии в любой момент време­ ни, толщину слоя полимера, распорное усилие, полную характеристику полимера при впрыске, уплотнении и охлаждении и др.

Для реализации процесса литья с газом фирмы Gas Injection/Factor предлагают: обо­ рудование для производства азота ( Generating); сжатия азота до 350 бар ( Compressing) и управления процессом подачи азота в литьевую форму ( Controlling); элементы подвода азота в форму (Injecting).

8.5. Технологическая оснастка для изготовления пластмассовых зубчатых колес литьем под давлением

8 .5 .1 . О бщ ие требования к конструкции литьевы х ф орм

Большое разнообразие геометрических форм и размеров деталей, высокие требования к размерной точности и точности взаимного положения поверхностей, широкая номенк­ латура применяемых полимерных материалов и связанные с этим различия их технологи­ ческих свойств требуют индивидуального подхода при проектировании оснастки, поиска компромиссных и зачастую нетривиальных решений.

Качество технологической оснастки зависит прежде своего от степени конструктив­ ного совершенства изготавливаемого изделия. Механический перенос конструктивных элементов, присущих металлическим деталям, на детали из пластмасс, недооценка осо­ бенностей технологических свойств пластмасс приводят к ошибкам, которые можно ис­ править лишь за счет неоправданного усложнения конструкции форм. Это, в свою оче­ редь, влияет на трудоемкость их изготовления, снижает долговечность и в конечном счете оказывает влияние на качество изготавливаемого изделия.

Правильно спроектированная и качественно изготовленная оснастка позволяет обес­ печить требуемую точность размеров деталей, получить поверхность без следов литников и толкателей, сохранить физико-механические свойства используемого полимерного ма­ териала, сформировать деталь с минимальными остаточными напряжениями, не подвер­ женную короблению.

Материалы, методы и технология изготовления зубчатых колес из пластмасс 299

Выполнение указанных требований должно сочетаться с обеспечением минимальной себестоимости изделия. Эго достигается выбором оптимального количества гнезд формы (от чего зависит стоимость оснастки и ее обслуживания), исключением дополнительной обработки изделия (в том числе и удаления литников), обеспечением работы оснастки в автоматическом режиме (что связано с ее надежностью и долговечностью).

Отливаемое изделие чаще всего расположено в подвижной части формы, так как в этом случае удается реализовать более высокую точность взаимного положения пуансона (центрального знака) и матрицы. Изделие в форме ориентируется с учетом легкого и на­ дежного выталкивания отливки, удобства расположения литников и возможности их ав­ томатического удаления.

При изготовлении прецизионных изделий, когда требования к размерной точности достаточно жесткие, исполнительные размеры формующих элементов необходимо рас­ считывать с учетом тепловых и механических деформаций, возникающих под действием усилия смыкания и давления расплава в форме.

Для создания качественной оснастки необходимо понимание всех физических про­ цессов, происходящих при движении расплава полимерного материала по каналам литни­ ковой системы и заполнении оформляющей полости. Наиболее благоприятные условия для получения качественной отливки создаются в том случае, когда расплав полимера сплошным фронтом одновременно достигает наиболее удаленных точек оформляющей полости. Однако наличие знаков, оформляющих отверстия в детали, разнотолщннность изделия, ошибки при выборе места расположения и числа впусков, неравномерное охлаж­ дение формы и другие причины приводят к дроблению фронта, появлению опережающих потоков, в месте слияния которых образуются линии спая. Длина линии спая зависит от температуры и вязкости расплава, температуры формы, скорости движения фронта рас­ плава, размера и формы препятствий на пути течения расплава. Прочность линий спая, как правило, ниже прочности основного материала. В местах спаев или зонах формообра­ зующей полости, заполняемых расплавом в последнюю очередь, возможно запирание воз­ духа, температура которого при повышении давления в форме может достигать 500600 °С, что приводит к прижогу поверхности изделия.

Таким образом, одним из основных условий получения качественной отливки явля­ ется правильно спроектированная литниковая система, через которую расплав полимер­ ного материала поступает из сопла литьевой машины в оформляющую полость формы с минимальными потерями давления и температуры.

С одной стороны, для сокращения литьевого цикла требуется интенсивное охлажде­ ние формы. С другой стороны, для получения качественных изделий из некоторых мате­ риалов литье должно производиться в горячую форму, температура которой поддержива­ ется в достаточно узком интервале. Система термостатирования формы позволяет стаби­ лизировать условия течения расплава и отверждения отливки, влияющие на усадку материала, точность, прочностные свойства и качество поверхности изделия, без чего про­ цесс изготовления прецизионных изделий усложняется.

При конструировании литьевых форм многие их характеристики принимаются без расчета, на основании интуиции или практического опыта конструктора, что связано с большой трудоемкостью выполнения расчетов. Это зачастую приводит к необходимости последующей корректировки форм в металле. Конструктивное совершенство пластмас­ совых деталей обеспечивается использованием современных методов проектирования с применением компьютера. Широкое распространение персональных компьютеров при­ вело к разработке ряда пакетов прикладных программ для конструирования пластмассо­ вых деталей и литьевых форм, позволяющих выполнять необходимые расчеты.

300 Глава 8

8 .5 .2 . А втом атизированны е систем ы C A D /C A M /C A E

для литьевы х ф орм

Современные автоматизированные системы CAD/CAM /C AE и технологии быстрого прототипирования Rapid Prototying (RP) и Rapid Tooling (RT) позволяют быстро провести подготовку производства, выявляя и исключая по ходу конструктивные и технологиче­ ские проблемы и обеспечивая требуемое качество.

Трехмерная (3D) модель детали является основой успеха в организации процесса подготовки производства. Она создается непосредственно в CAD-снстеме или по чертежу, или по результатам замеров физического прототипа на измерительной машине (обратный инжениринг). Моделирование в CAD-системе заканчивается фотореалистическим изо­ бражением будущей детали, которое можно вывести на цветной принтер или плоттер с требуемой раскраской на желаемом фоне или в интерьере.

Затем создается физический прототип. В зависимости от сложности детали и ее на­ значения выбирается способ его изготовления. Проще всего создать прототип поверхно­ сти, то есть отфрезеровать на станке с ЧПУ из модельного материала (пластик, древесина, алюминиевый сплав и т. п.) монолитный «болван», имитирующий поверхность. Для этого в системе САМ пишутся управляющие программы и передаются на станок.

Если этого прототипа недостаточно, то 3D CAD-модель трансформируется в так назы­ ваемый 571-файл, который загружается в компьютер системы быстрого прототипирования, где ведется подготовка модели к «выращиванию» (расслоение, построение поддержек и др.). В технологическом модуле установки происходит послойное выращивание прототипа либо из раствора фотополимера (51А), либо из ламинированной бумаги (LOM), либо из поли­ мерной нити (FDM), полимерного порошка (SLS), воска и т. д. Созданный таким образом прототип полностью соответствует 3D CAD-модели. После всестороннего изучения его ди­ зайнером, конструкторами изделия и формы, технологами по литью и металлообработке CAD-модель детали принимается, либо в нее вносятся необходимые изменения.

CAD-модель или 571-файл транслируется в CAÆ-снстему, например, Moldflow, для компьютерного анализа процесса литья — стадий впрыска расплава, выдержки под давле­ нием, охлаждения. Определяются: пролнваемость детали, линии спая, воздушные ловуш­ ки, «окно переработки», усадка, коробление, внутренние напряжения в отливке, оптими­ зируются литниковая система и система охлаждения, проводится подбор марки пластика и тип термопластавтомата. По результатам анализа, если необходимо, корректируется SD-модель детали. Данные анализа учитываются при разработке литьевой формы (место впуска, параметры литниковой системы, конфигурация системы охлаждения и размеры каналов охлаждения) и при запуске формы (режимы литья).

Разработка литьевой формы проводится как в трехмерной 3D, так и в двумерной 2D-ciiCTeMe в зависимости от применяемой CAD-системы. Модель детали располагают в пространстве с учетом возможности извлечь отливку из пресс-формы, упрощения плоско­ сти разъема, мест подвода расплава и следов от толкателей. Определяют линию разъема (во многих пакетах она определяется автоматически). Модель увеличивают согласно усадке материала, достраивают литейные уклоны и радиусы, определяют подвижные эле­ менты, оформляющие проблемные места в отливке, вычленяют знаки и вставки. Далее из библиотеки нормализованных деталей набирают необходимый комплект элементов фор­ мы — плиты, колонки, втулки и пр. Строятся литники. Расставляются толкатели. Прокла­ дывается система охлаждения. Составляется спецификация нормализованных деталей. Подготовленные модели формообразующих деталей поступают в систему САМ для напи­ сания управляющих программ для станков с ЧПУ под непосредственную их фрезеровку